2.2 5G新空口NR架构
2.2 5G 新空口 NR 架构
本节摘要：5G NR（New Radio） 是 5G 无线接入技术，gNB 替代 4G eNB。NR 支持 Sub-6 与 mmWave、灵活 Numerology、Massive MIMO，并可与 LTE 双连接。本节说明 gNB 功能、CU/DU 分离及与核心网的 N2/N3 接口。
核心问题
阅读完本节，你应当能够：
- 描述 gNB 在 PHY/MAC/RLC/PDCP/RRC 中的职责
- 解释 CU-CP、CU-UP、DU 分离的动机
- 说明 NR 与 LTE 在波形与帧结构上的主要差异
- 识别 N2（控制）与 N3（用户）接口
- 理解 fronthaul 对 DU 部署的限制
一、问题与直觉
LTE 用 15 kHz 固定子载波间隔、以 FDD/TDD 为主；5G NR 从设计之初就要在 同一技术框架 下覆盖 700 MHz 到 40 GHz+，还要支持 0.5 ms 级 URLLC 与 100 MHz+ 带宽 eMBB。「一种空口，多种 Numerology」 是 NR 相对 LTE 最根本的架构选择。
基站侧，传统一体化 eNB 在 5G 高带宽、Massive MIMO 下难以机房部署——射频拉远、基带池化成为主流。gNB 拆成 CU（Central Unit）与 DU（Distributed Unit），控制与用户面还可进一步分 CU-CP/CU-UP，以便匹配不同厂商 fronthaul 与边缘 UPF 协作。
二、核心原理
gNB 逻辑结构
| 网元 | 功能 | 类比 LTE |
|---|---|---|
| gNB | NR 接入，无线资源调度 | eNB |
| CU-CP | RRC、PDCP-C、连接控制 | 集中控制 |
| CU-UP | PDCP-U、用户面处理 | 与 UPF 协同 |
| DU | PHY、MAC、RLC 低层 | 射频近端 |
CU/DU 分离
- 集中化：多 DU 共享 CU，降低机房成本
- 灵活部署：DU 近天线降低馈线损耗；mmWave 小基站 DU 在 pole 上
- 接口：F1 连接 CU-DU；eCPRI/ORAN 规范 fronthaul
NR 与 4G 关键差异：可扩展子载波间隔（15/30/60/120 kHz）、mini-slot、波束级移动性管理、LDPC/Polar 信道编码、更灵活的 TDD 时隙配比。
三、工程实践要点
ORAN 与开放接口
传统基站专有接口；O-RAN 推动 RU/DU/CU 开放互操作，便于多厂商与 AI 驱动的 RIC（RAN Intelligent Controller）优化节能与负载。
覆盖与容量
Sub-6 gNB 可与 LTE 共站；mmWave gNB 小区半径可能仅数十至数百米，需密集组网 + 波束跟踪。
| 频段类型 | 覆盖 | 容量 | 部署形态 |
|---|---|---|---|
| Sub-6 如 n78 | 与 LTE 相近 | 中高 | 宏站/微站 |
| mmWave 如 n260 | 极小 | 极高 | 小基站、pico |
⚠️ 常见坑：忽略 DU-CU 光纤时延——超低时延 URLLC 要求 DU 尽量近端，fronthaul 距离受限。
💡 关键直觉：NR 架构为「宽频谱 + 短时隙 + 波束」服务，读参数表前先问频段与场景。
FAQ
问：gNB 与 ng-eNB 区别？
答：ng-eNB 是连接 5GC 的 LTE 基站（E-UTRA 接入 5GC），用于 NSA/迁移场景；gNB 是 NR 基站。
本章回顾
- NR：5G 统一空口，Sub-6 + mmWave
- gNB：替代 eNB，支持 CU/DU 分离
- N2/N3：分别连 AMF 与 UPF
- Numerology：灵活子载波间隔支撑多场景
- 开放 RAN：O-RAN 改变 DU/RU 生态
下一节进入 5GC 服务化核心网 AMF/SMF/UPF 体系。
深入：NR 波形、Numerology 与多址的基础
NR 空口的物理层继承并扩展了 LTE 的 OFDM 思想：下行与上行数据均基于 CP-OFDM（上行可选 DFT-s-OFDM 降低峰均比），但子载波间隔不再固定 15 kHz，而是以 15×2^μ kHz 可扩展（μ 取 0/1/2/3），对应时隙长度相应缩短。这就是「一种空口适配多种场景」的手段：μ=1（30 kHz）支撑 Sub-6 主力带宽，μ=3（120 kHz）支撑毫米波和低时延。子载波间隔、CP 长度、时隙长度三者绑定变化，读参数表时先确定 μ 值再谈其他。
多址接入上，NR 下行沿用 OFDMA（频域划分给不同用户），上行引入 DFT-s-OFDM 以降低终端发射峰均比，节省电池。资源调度的基本单位是资源块 RB（12 个子载波 × 1 时隙），MAC 调度器每个时隙为各 UE 分配 RB、调制阶数（MCS）与 MIMO 流数。这套组合拳让 NR 在同一频谱上灵活适配 eMBB 的大块下行和 URLLC 的短突发。
NR 帧结构与 Numerology 对应（示意） μ | 子载波间隔 | 时隙长度 | 典型用途 0 | 15 kHz | 1 ms | 低频 FDD/广覆盖 1 | 30 kHz | 0.5 ms | Sub-6 TDD 主力 2 | 60 kHz | 0.25 ms | 低时延/中高频 3 | 120 kHz | 0.125ms | mmWave 大带宽 一个无线帧固定 10 ms，μ=1 时含 20 个时隙
gNB 协议栈与 CU/DU 的功能切分
从协议栈看，gNB 承载 RRC（无线资源控制）、SDAP（QoS 流到承载映射）、PDCP（加密与头压缩）、RLC（分段与重传）、MAC（调度与 HARQ）、PHY（调制编码与天线处理）六层。CU/DU 分离后，控制与用户面进一步拆分：CU-CP 集中 RRC 与 PDCP-C，CU-UP 负责 PDCP-U 与 SDAP，DU 负责 RLC、MAC、PHY 的实时处理。这种切分让实时性要求高的部分贴近天线（DU），非实时部分集中部署（CU），为多厂商分层采购创造了条件。
波束管理与高频段部署
NR 支持波束级操作：SSB 波束扫描让 UE 测量并选择最佳波束，波束切换、波束失败恢复都是高频段网络的基本功。毫米波 gNB 小区半径常在数十到数百米，需要小站密集部署，回传与供电是规划中的隐性成本。理解 NR 架构时，可以把「波形—帧结构—波束」看作三位一体：波形决定频谱效率，帧结构决定时延，波束决定高频覆盖，三者共同定义了 NR 的能力边界。
与 LTE 的共存与演进
NR 网络通常与 LTE 长期共存：低频 LTE 提供广覆盖与语音，中高频 NR 提供容量。共站部署时要协调天线方向角、下倾角与功率预算，避免邻频干扰。LTE 的 MIMO 与载波聚合经验可以直接迁移到 NR，但 NR 的灵活 Numerology 让资源规划更复杂。设备商在 NR 产品上普遍兼容 LTE 能力，形成一张多制式融合的网络。
智能超表面与未来演进
产业界正在研究智能超表面（RIS）、AI 辅助空口等前沿方向，目标是进一步提升覆盖与频谱效率。R18 之后的 5G-Advanced 将把这些技术部分纳入标准。读 NR 架构时不必急于追赶这些新名词，先把 gNB 功能切分、CU/DU 分离、波束管理这些基础概念打牢，未来的增强都是在这些地基上叠加的。